“华龙一号”废气处理系统活性炭延迟衰变工艺研究

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(1. 中国核电工程有限公司，北京　100840；2.中国辐射防护研究院，山西　太原　030006)

在压水堆核电厂运行期间，一回路会产生放射性惰性气体氪(Kr)和氙(Xe)等裂变产物，这些放射性惰性气体通过一回路反应堆冷却剂下泄和疏水产生含氢废气。

“华龙一号”废气处理系统含氢废气主要来源于反应堆冷却剂脱除的气体，以及容积控制箱、稳压器卸压箱和反应堆冷却剂疏水箱等设备的覆盖和吹扫气体。

由于“华龙一号”废气处理系统含氢废气流量较大，以及对活性炭吸附关键参数掌握不足，因此福建福清核电站5、6号机组等仍采用压缩贮存衰变处理惰性气体Kr和Xe。

放射性废气压缩贮存衰变处理技术存在设备体积庞大、易泄漏、操作复杂和易燃爆等缺点，已逐渐在欧美发达国家核电站限制使用。活性炭延迟衰变处理技术的流程简单、安全性高和自动化运行等优点，得到了国内外新建核电站的大量应用。AP1000和EPR等先进三代核电站则采用活性炭延迟衰变处理技术，利用Kr和Xe等放射性核素在活性炭表面进行动态吸附(吸附、解吸、再吸附和再解吸)，从而达到足够的延迟和衰变时间[1]。为了推动“华龙一号”实现“走出去”的国家战略，应尽快研究和开发废气处理系统活性炭延迟衰变技术，并在“华龙一号”核电机组中应用。

本文通过研究温度、压力、相对湿度、流速以及活性炭床长径比等参数对活性炭动态吸附性能的影响，获得华龙一号废气处理系统最佳工艺条件，由此设计活性炭延迟衰变处理的工艺流程。

1　系统参数对活性炭吸附性能影响

活性炭是经过活化处理的多孔物质，具有孔隙结构发达、比表面积大和吸附性能强等优点[2]。惰性气体Kr和Xe的放射性衰变程度取决于活性炭对Kr和Xe的延迟时间。根据ANSI/ANS 55.4[3]，惰性气体的延迟时间(T)与动态吸附系数(Kd)、活性炭质量(M)和载气流量(F)存在以下方程式：

T=KdM/F

式中：T——延迟时间，s；

Kd——动态吸附系数，mL/g；

M——活性炭质量，g；

F——载气流量，mL/s。

活性炭对Kr和Xe的动态吸附系数取决于活性炭类型、相对湿度、温度和压力等。[3]

虽然目前国内有较多研究已经得到了活性炭吸附性能影响因素[4-7]，但研究范围不能覆盖“华龙一号”废气处理系统的工艺条件。因此通过研究某活性炭样品在温度、压力、相对湿度、流速以及活性炭床长径比等单一参数变化下对Kr的性能影响，获得华龙一号活性炭延迟衰变最佳工艺条件。

1.1　温度

在常压、相对湿度低于5%和流速为0.24 cm/s下，研究某活性炭样品在温度为10～50 ℃对Kr的动态吸附系数(Kd)。

Kd的对数随气流温度变化趋势如图1所示。随着气流温度的升高，动态吸附系数逐渐下降明显，动态吸附系数的对数与温度呈线性关系。

图1　不同气流温度下Kr的动态吸附系数Fig.1　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow temperatures

1.2　压力

在室温20 ℃、相对湿度低于5%和流速为0.24 cm/s下，研究某活性炭样品在压力为常压至0.8 MPa(表压)之间对Kr的动态吸附系数(Kd)。

Kd随气流压力的变化趋势如图2，当系统压力逐渐增大时，活性炭对Kr的动态吸附系数逐渐增大。在一定压力范围内，动态吸附系数与压力成二次曲线关系。

图2　不同气流压力下Kr的动态吸附系数Fig.2　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow pressures

1.3　相对湿度

在室温、常压和流速为0.24 cm/s下，研究某活性炭样品在相对湿度为0～80%对Kr的动态吸附系数。随着气流相对湿度逐渐增大，活性炭首先会吸附水蒸气从而使得对Kr的吸附性能下降。

Kd随气流相对湿度的变化趋势如图3，在相对湿度低于20%时，动态吸附系数变化较小。一旦相对湿度高于20%，气流相对湿度越高，动态吸附系数下降越明显。

图3　不同气流相对湿度下Kr的动态吸附系数Fig.3　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow relative humidities

1.4　流速

在室温20 ℃、常压和相对湿度低于5%下，研究某活性炭样品分别在不同载气流速下对Kr的动态吸附系数。

Kd随气流相对湿度的变化趋势如图4，在流速低于0.05 cm/s时，动态吸附系数明显下降。当流速由0.06 cm/s逐步增大至5 cm/s，动态吸附系数基本不变。然而当流速达到5.5 cm/s时，动态吸附系数大大降低。因此，在保证载气流速在0.06～5 cm/s时，活性炭对Kr的吸附性能基本无影响。

图4　不同气流流速下Kr的动态吸附系数Fig.4　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different gas flow rates

1.5　活性炭床长径比

在工程应用过程中，首先需要设计活性炭床的结构，即活性炭床的直径和长度。在一定的温度、压力、相对湿度和流速下，研究某活性炭不同的长度与直径之比对Kr的动态吸附系数的影响。

Kd随气活性炭床长径比的变化趋势如图5，活性炭床长径比从1∶1增加到5∶1，活性炭对Kr的动态吸附系数有小幅度增大，直增加到3∶1后变化很小。

图5　不同活性炭床长径比下Kr的动态吸附系数Fig.5　Dynamic adsorption coefficient of krypton at different length to diameter ratios of activated carbon bed

2　活性炭延迟衰变最佳工艺条件

根据惰性气体Kr和Xe在活性炭的吸附存在相关性[8]，活性炭在不同系统参数下对Xe的动态吸附性能影响与以上对Kr的动态吸附性能影响是相似的，因此研究结果表明：

1)活性炭对惰性气体的吸附系数随着温度的升高而减小，考虑到低温需要冷冻水以及保温措施，通常选择室温即可确保较高的动态吸附系数；

2)活性炭对惰性气体的吸附系数随着系统压力的增加而明显增大，当压力升至0.7 MPa(表压)以后动态吸附系数变化较小，由此建议处理量小时采用常压，而处理量大时为避免活性炭床尺寸庞大采用加压至不高于0.7 MPa(表压)；

3)活性炭对惰性气体的吸附系数随着相对湿度的升高而减小，当相对湿度低于20%时，活性炭的吸附性能影响较小，建议气流相对湿度控制低于20%；

4)当气流流速保持在一定范围内，流速对活性炭影响较小，同时考虑活性炭床的长径比影响，建议炭床长径比不低于3∶1，此时确定碳床直径后保证流速不低于0.05 cm/s或高于5 cm/s即可。

由上分析可知，“华龙一号”废气处理系统活性炭延迟衰变最佳工艺条件为在常温、压力为0.7 MPa(表压)、相对湿度低于20%以及合适稳定的气流流速下，活性炭对Kr和Xe惰性气体有很高的动态吸附性能。

3　活性炭延迟衰变处理工艺流程

根据“华龙一号”废气处理系统含氢废气主要来源，上游最大废气流量为76 Nm3/h。由于废气处理量较大，设计两条活性炭延迟衰变处理线，可减小活性炭装量和设备大小。正常工况下一用一备，高峰期两条处理线同时运行。

废气处理系统活性炭延迟处理工艺流程见图6。

图6　“华龙一号”废气处理系统活性炭延迟处理工艺流程简图Fig.6　The simplified flow chart of activated carbon delay processing of the waste gas treatment system

含氢废气由管道收集后，首先进入缓冲罐，平衡压力后进入含氢废气压缩机升压至0.7 MPa(表压)。压缩后的废气用压缩气体冷却器冷却至10 ℃，再通过气水分离器分离掉冷凝液。

随后含氢废气再进入保护床，进一步除湿和去除化学毒物，以保证下游活性炭的吸附效率。在保护床后设置温度和相对湿度监测，确保进入延迟床废气的温度保持在室温，相对湿度低于20%。

最后废气通过几台串联的延迟床滞留衰变惰性气体Kr和Xe，当其中任何一台延迟床需要更换活性炭时可旁通。处理后的气态流出物经在线辐射监测后由厂房通风系统的烟囱，向环境排放。

根据惰性气体的延迟时间计算方程式[3]，在保证足够的活性炭装量时，华龙一号废气处理系统延迟衰变处理工艺对Kr和Xe的延迟衰变时间将分别大于3天和42天。

4　结论

惰性气体活性炭延迟衰变工艺由于其特有的优点，已经逐渐在第三代核电厂AP1000和EPR核电机组上应用，同时也得到核电站评审、设计和运营人员的认可。

本文通过研究华龙一号废气处理系统工艺条件(如温度、压力、相对湿度、流速和炭床长径比等)对活性炭动态吸附性能的影响，确定了最佳的工艺运行条件。按照最佳工艺运行条件，设计华龙一号惰性气体活性炭延迟衰变工艺流程，该工艺处理流程简单、设备占地小、安全性高和可自动运行等优点。该工艺流程能确保对Kr和Xe有足够延迟衰变时间，保证气态流出物的放射性排放满足国家标准GB 6249的要求[9]。

废气处理系统采用活性炭延迟衰变处理后，由于设备占地小可节省投资成本，同时自动化运行则大大降低运行期间人员的辐射照射。与加压贮存衰变相比，不存在贮存大量含氢废气时易燃易爆风险，大大提高系统安全性。因此，华龙一号废气处理系统采用活性炭延迟衰变工艺可带来较大的经济效益和提高安全性。

随着“华龙一号”走出去的国家战略，本文的惰性气体活性炭延迟衰变将作为出口海外的可选工艺，能满足国外相关的法规要求。